1．绪 论
电力线载波通信（PLC）是指利用已有的高中低压电力线进行数据传输的一种通信技术[2]。但是电力线作为电能传输介质，在开始之初没人对其高频特性感兴趣，另外接入设备繁杂也导致了阻抗变化严重。20世纪20年代随着国外的一些电力部门专家对电力线通信的研究，完成了电力设施的内部通信和远程测量与控制等任务，逐渐地引起相关人员的一些重视，随着电力通信技术的发展，在1990年后，人们开始了电力线高速宽带的传输技术的研究，在国外的成果取得较大，进入21世纪，更先进的一些调制技术，纠错编码技术等一系列相关技术的发展，使得目前电力线通信的数据传输速率高达500Mbps,甚至更高，抗干扰能力也得到极大的改善，这对于智能电网，智能家居都带来非常重大的突破，随着我国对智能电网的提出和四网融合的想法，现在已有不少的电力科研单位及高校开展电力线通信的研究工作，但要实现电力线通信的首要任务是对电力线通信信道的研究，得出电力线传输信道的传输性能参数，这其中影响电力线传输性能最为严重的是噪声，故我们有必要对噪声进行测量分析与建模。
本章主要阐述本课题的研究的目的和意义，同时对国内外的室内低压电力线噪声建模研究的现状进行对比，以及其通信的发展和本论文的主要内容及创新。
1.1 课题研究的目的和意义
目前国内在室内低压电力线通信特别是宽带电力线通信方面的研究比较匮乏，众所周知，低压电力线网络是世界是分布最为广泛，结构最为牢固的物理网络，其中室内低压电力线网络是每个家庭最为普遍，覆盖最为宽广的一种无力媒介[2]。随着我国智能电网的发展，室内低压电力线通信在智能家居，宽带接入以及监控安防均有着突出的优点，只需利用现有的电力线就可以进行通信，具有投入成本低，运营和维护费用低等优势，特别是近几年以来，LPLC技术快速发展，在远程抄表，宽带接入，楼宇智能化，信息家电等领域受到更大的关注，但是电力线作为传输电能的线路并非专用的通信信道，它的信道环境非常恶劣，输入阻抗匹配，信号衰减，以
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及噪声干扰，这其中尤以噪声影响特别严重，其随机脉冲噪声不仅导致数字信号产生严重的畸变，也会对模拟信号产生一定的失真，因此，要想实现高频信号在电力线上进行传输，有必要对电力线上噪声通信进行分析研究，准确地分析各种噪声的特点并对其进行数学建模对提高信道通信质量，改善通信特性具有很重要的意义，也可以为通信的理论提供必要的理论基础。
1.2 低压电力线信道噪声的研究现状及通信发展
电力线噪声的研究在国外很早就开始了，在1838年，爱德华戴维了提出了对输电电表的电压进行检测[3]。人们就开始对电力线噪声进行研究，最早的是对高压，逐渐转移到了中压，到目前主要集中在低压方面（220V或380V），低压电力线又由于跟广大的家庭用户息息相关，特别是室内低压电力线通信的广大市场，逐渐吸引了大部分研究人员对低压信道噪声进行测量与分析，又有相当一部分是对窄带电力线通信的研究，主要测量的噪声范围在3KHz~500KHz，这一部分目前在噪声建模方面，电力线载波芯片均有着成熟的模型与方案，但在高频宽带方面，目前国内外的研究均处于发展阶段，由于各国的电磁兼容标准差异，以及国内外的地区噪声繁杂，多变与随机性等原因，并不能简单把国外的研究模型直接套用在我国地区噪声模型上，需要我们的研究人员进行实地的测量与分析建模，目前中外学者对低压电力线噪声分类都有着共同的认识，主要把低压电力线噪声分为五类，分别是有色背景噪声，窄带噪声，异步于工频的周期脉冲噪声，同步于工频的周期脉冲噪声，随机脉冲噪声[4]，相比较而言，在低压电力线噪声模型的研究中，特别是基于功率谱密度进行分类的建模方式主要针对电力线噪声的平稳与非平稳的特性，有文献[5]指出，可以将电力线噪声分为两大类，一类是背景噪声，主要把有色背景噪声、窄带噪声、异步于工频的周期脉冲噪声划分为一般性的背景噪声模型，主要是因为这三种噪声通常在相对较长时间（数秒，数分甚至若干小时）内保持稳定；另一类是脉冲噪声，主要把同步于工频的周期脉冲噪声和随机脉冲噪声划分到这一类，主要是因为这两种噪声瞬变性较强。
基于以上噪声划分为两大类的模型，文献[6]提出了低压电力线的背景噪声信号可以看成是一个平稳随机过程，可以利用高斯白噪声通过一个整形滤波器建立自回
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归模型得出，对于这类噪声的建模，目前的建模技术以及理论相对比较成熟和完善，求解模型参数的方法也很多；而脉冲噪声则因为多变随机，且幅值变化也大，不能把它看成一个平稳的随机过程，在这方面的建模，国外学者先提出了利用分群的马尔科夫链统计模型（Markov chain）建模，国内的一些学者在他们基础上提出了峰式的马尔科夫链模型，主要代表有南京大学的吴军基教授、郭昊坤硕士，国内的也有一些电力公司以及研究单位提出了正弦波衰减的叠加模型，这两种模型目前是验证的比较多的，拟合的效果比较好的，虽然这两大类噪声模型建立方法已经取得一定的效果，但是在处理背景噪声的时候采取的平均多组噪声有很大的缺陷，而没有提取出脉冲噪声，而是通过平均去消除脉冲噪声的影响，这种方法在我看来是不妥的，因为在时域上脉冲在每一组测量数据中出现的时间不确定，多组平均后可能导致整体幅值水平的偏高，噪声特性产生很大的变化，这是我们所不期待的，另外在利用不同的算法对模型求参数时，AR模型的定阶准则没有确定最优，AR模型的阶数的合理选择是AR功率谱估计一个重要问题，阶数选择太高，会产生很多的虚假谱峰，导致谱估计方差性能的下降，选择太低，则分辨率太低，偏差比较大[7]。因此，对噪声数据准确的处理，合理的建模是本文的研究的内容。
1.2.1 国外电力线通信研究历程与现状
早在1920年前后，电力线通信就开展于变电站与发电厂之间的通信调度，主要实现在高压电线上进行模拟信号的传输[8]。到1990年，英国的NORWEB通信公司立项开始了高速的PLC技术研究，8年后顺利完成了Internet接入电力线的测试，2000年INTEL，CICSO，HP等13家公司宣布了成立“家庭插电联盟”（HPA），目标为构建PLC通信标准，目前已经发表HomePlug AV ，现在主要基于IEEE 1901。在利用方面，北美，西欧国家，PLC技术已经投入使用，特别是德国。目前，在宽带的电力线通信技术应用研究上，主要分为两个代表，一是美国，二是欧洲，美国主要致力于将宽带电力线通信应用在智能家居上，利用已有的低压电力线配电网和插座作为通信煤质和节点，组建内部局域网[9]。最新的研究还是以美国Intellon公司为代表，欧洲致力于将PLC应用到宽带接入网中，主要代表是西班牙的DS2公司，目前他们的powerline芯片达到400Mbps,甚至更高。
1.2.2 国内研究历程及现状
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国内对PLC的研究和使用比较晚，自1997年以来，国内有关的低压电力线载波通信产品才正式亮相，中电研究院也是该时候开始研究，主要研究电压电力线的远程抄表系统，但其传输速率非常低，1995年5月，开始高速PLC 研发，2000年与韩国KEYIN公司在华北电力大学和电科院宿舍测试，速率可达到1Mhz，接着福建省电力试验研究所在全国首先推出应用于电力线上网的电力调制解调器，传输速率达到10Mbit/s[10]。并且2010时，自行演示200Mbit/s的调制解调器，到目前，我国的电力线载波通信的研究已经取得不错的成就，特别是TP-LINK公司的电力猫产品的水平已达到国际的一流水平。
1.3 论文的主要研究内容及安排
上面谈到目前在背景噪声建模方面的一些问题，针对这些问题选择合适的方法对这些缺陷进行改进，提出自己的做法，为更准确的建模提供一些理论的基础，以下是全文的主要研究内容及章节安排
（1） 阐述一下室内低压电力线噪声的主要类型，以及各类噪声的特性，着重对低
压电力线信道噪声的研究现状进行分析以及目前建模的一些问题提出。 （2） 室内低压电力线噪声测量电路的搭建与测量，合理的耦合测量电路决定着噪
声测量的质量，本文主要利用两种耦合测量电路，并详细讲解选择的器件通过仿真与实测对比进行说明，利用存储式数字示波器对噪声的测量采集，离线进行MATLAB分析。
（3） 提出一种基于脉冲幅值检测与提取的方法对噪声进行脉冲的分离和提取。 （4） 对低压电力线噪声分两大类进行噪声模型建立。 （5） 通过MATLAB软件进行仿真对比和验证。
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2．低压电力线噪声测量电路的搭建
2.1 耦合电路设计要求
电力线耦合电路是电力线噪声测量中关键环节，如何设计耦合电路，并且不同的耦合电路有哪些优缺点，值得我们去认识，由于目前国内宽带电力线通信的标准的白皮书指出，1MHz到30MHz频带范围作为我国的宽带电力线通信范围，前几年，也有很多的研究关于电力线高速传输速率，指出了1MHz到20MHz是比较理想的选择，为了达到传输带宽的要求，我们需要对1MHz到30MHz的电力线噪声进行测量采集分析，故需要对耦合电路设计要求提出新的标准，电力线噪声测量的耦合电路主要是按使用的耦合器件来分，有电容耦合，电感耦合等。不同的耦合技术及其装置，有着不同的性能特点和使用方式[11]。另一方面，需要对耦合电路的自激噪声进行一定的限制，分立元件如果过多，在使用的过程中特别是长时间的使用，热噪声会大幅增加，影响噪声测量的准确性，所以要求我们在电容耦合电路的设计需尽量少用分立元件，而有源器件虽然作为滤波电路常见的器件，但是在电力线上经常的开关会导致有源器件产生极大的高频噪声，且其热噪声也严重，所以耦合电路很少用到有源器件进行滤波，最后，还要对耦合电路进行必要的浪涌保护。
2.2 电容耦合电路
电容耦合电路是以两个高频耐压电容与高频变压器构成的高通滤波电路，当然，高频变压器本身也是有一定的通频带范围，这样构成的电容耦合电路应该是带通的，以高频电容来连接电力线一端，使得工频信号等低于设定好的低频信号被截止，高频信号则通过变压器的另一端输出，这样就使得测试仪器与220V强电隔离也使得该耦合电路对测试频段以外的噪声进行滤波，减少干扰。下面图2.1是一种简单电容耦合电路装置。
2.2.1 电容耦合电路图
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